特厚复合顶板巷道支护结构与围岩稳定的耦合控制研究

【摘要】：特厚复合顶板为大厚度不稳定层状围岩,依据传统的支护理论难以诠释锚索的作用机理与巷道支护结构,要科学合理地确定支护参数较为困难。本论文在总结分析现有巷道支护理论基础上,结合国家自然科学基金项目(51274145)“涵盖峰后大变形过程的巷道围岩与支护平衡规律及控制机理研究”和煤气化专项基金项目“神州煤业4#煤层巷道联合支护技术研究”,采用理论分析、试验模拟、数值模拟及工程实践应用等方法,对特厚复合顶板巷道支护结构与围岩稳定控制技术进行了研究,得出以下结论： (1)在总结分析现有支护理论的基础上,提出特厚复合顶板巷道拱梁耦合支护新理论：特厚复合顶板破坏主要包括弯曲断裂离层和层间错动离层；在锚杆作用下浅部岩层形成组合梁,深部复合顶板在锚索高预应力作用下形成压缩承载拱,“拱”与“梁”耦合作用形成特厚复合顶板巷道支护承载结构主体；建立巷道拱-梁结构体系力学模型,提出支护结构稳定性力学计算与支护参数设计方法。 (2)利用大尺度二维相似模拟试验系统,以神州煤业4#煤层特厚复合顶板为原型,试验模拟不同支护条件巷道分级加载(0～40MPa)过程中巷道围岩应力、围岩位移变化等规律。试验结论为： ①无支护巷道：顶板浅部岩层位移呈μ=aln (p)+b对数曲线变化特征,顶板岩层弯曲破坏从中间开始向两侧扩展,呈拱形冒落。顶板围岩垂直应力随该岩层离层破坏逐步使两侧垂直应力升高,增压系数1.12～1.60；围岩水平应力随该岩层破坏逐步使上部岩层水平应力升高,增压系数1.12-1.18；水平应力是复合顶板产生挤压弯曲、剪切错动破坏的主要因素。 ②顶帮锚杆支护巷道：顶板围岩位移呈μ=kp+b线性变化规律,锚杆锚固层中部位移速率大于两侧,岩层整体性提高,呈组合梁弯曲变形特征；当锚杆组合梁弯曲破断后,上部围岩应力明显下降,岩层破坏向两侧及上部扩展,仍然形成冒落拱。锚杆组合梁中水平应力较高,侧压系数达1.45,表明水平应力是组合梁弯曲变形的主要因素；组合梁两端垂直应力高于水平应力,表明垂直应力是巷道肩部剪切破坏的主要因素；锚杆组合梁形成后,使巷道顶板水平承载力提高49%,垂直承载力提高30%,综合承载能力提高75%。 ③锚索+顶帮锚杆联合支护巷道：锚索减跨作用下锚杆组合梁抗弯强度增加,组合梁上部围岩应力上升、位移减小；顶板岩层中部与两侧位移速率差值由浅到深递减,顶板深部基本接近,表明顶板较大范围内围岩整体性提高,显现锚索压缩拱特征；拱-梁组合结构形成后与锚杆支护巷道相比顶板下沉量减少43%。 ④锚索+全断面锚杆支护巷道：在斜跨锚索作用下围岩压缩拱范围有所扩大,锚杆组合梁最大水平承载力比锚索垂直布置提高35%；顶板下沉量比锚索垂直布置减少16%,比顶帮锚杆支护减少52.3%；巷道底板在采用锚杆支护后承载能力增大,底鼓量减小77.4%。 (3)采用RFPA2D数值模拟试验,以神州煤业4#煤层特厚复合顶板为模拟对象,对不同支条件巷道分级加载时围岩破坏过程进行模拟。计算分析围岩应力场特征与围岩裂隙演化规律。分别研究不同围岩应力对巷道围岩稳定性的影响规律以及支护结构不同对巷道围岩变形破坏的影响规律。数值模拟表明随锚索密度增加特厚复合顶板中形成的“拱-梁组合”结构特征越加明显,支护强度越高。 (4)基于本文的特厚复合顶板巷道支护理论与围岩稳定控制技术,合理优化设计巷道支护参数,并在神州煤业4303工作面顺槽巷道及切眼中实际应用。经过监测分析与生产应用验证了巷道支护结构的稳定性,取得良好的支护效果。